Kislotn (Кислотные дожди), страница 2

Термин «кислотные дожди» ввел в 1872 г. английский инженер Роберт Смит в книге «Воздух и дождь: начало химической клима­тологии». Кислотные дожди, содержащие растворы серной и азот­ной кислот, наносят значительный ущерб природе. Земля, водо­емы, растительность, животные и постройки становятся их жерт­вами. На территории России в 1996 г. вместе с осадками выпало более 4 млн. т серы и 1,25 млн. т нитратного азота. Особенно тре­вожная ситуация сложилась в Центральном и Центрально-Черно­земном районах, а также в Кемеровской области и Алтайском крае, в Норильске. В Москве и Санкт-Петербурге с кислотными дождя­ми на землю в год выпадает до 1500 кг серы на 1 км². Заметно меньше кислотность осадков в прибрежной зоне северных, западно- и восточносибирских морей. Самым благоприятным регионом в этом отношении признана Республика Саха (Якутия).

При сжигании любого ископаемого топлива (угля, горючего сланца, мазута) в составе выделяющихся газов содержатся диокиси серы и азота. В зависимости от состава топлива их может быть меньше или больше. Особенно насыщенные сернистым газом выб­росы дают высокосернистые угли и мазут. Миллионы тонн диок­сидов серы, выбрасываемые в атмосферу, превращают выпадаю­щие дожди в слабый раствор кислот.

Окислы азота образуются при соединении азота с кислородом воздуха при высоких температурах, главным образом в двигателях внутреннего сгорания и котельных установках. Получение энергии, увы, сопровождается закислением окружающей среды. Дело ослож­няется еще и тем, что трубы теплоэлектростанций стали расти в высоту, и достигают 250—300, даже 400 м, следовательно, выбросы в атмосферу теперь рассеиваются на огромные территории.

Кислотность водного раствора определяется присутствием в нем положительных водородных ионов Н⁺ и характеризуется концентрацией этих ионов в одном литре раствора C(H⁺) (моль/л или г/л). Щелочность водного раствора определяется присутствием гидроксильных ионов ОН– и характеризуется их концентрацией C(ОН^–).

Как показывают расчеты, для водных растворов произведение молярных концентраций водородных и гидроксильных ионов – величина постоянная, равная

C(H⁺)C(ОН^–) = 10–14,

другими словами, кислотность и щелочность взаимосвязаны: увеличение кислотности приводит к снижению щелочности, и наоборот.

Р аствор является нейтральным, если концентрации водородных и гидроксильных ионов одинаковы и равны (каждая) 10–7 моль/л. Такое состояние характерно для химически чистой воды.

Из сказанного следует, что для кислых сред выполняется условие:

10^–7 < C(H⁺) ≤ 10⁰,

для щелочных сред:

10^–14 ≤ C(H⁺) < 10^–7.

На практике степень кислотности (или щелочности) раствора выражается более удобным водородным показателем рН, представляющим собой отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации водородных ионов:

рН = –lgC(H⁺).

Например, если в растворе концентрация водородных ионов равна 10–5 моль/л, то показатель кислотности этого раствора рН = 5. При этом изменению показателя кислотности рН на единицу соответствует десятикратное изменение концентрации водородных ионов в растворе. Так, концентрация водородных ионов в среде с рН = 2 в 10, 100 и 1000 раз выше, чем в среде с рН = 3, 4 и 5 соответственно.

В кислых растворах рН 7, и чем больше, тем выше щелочность раствора.

Шкала кислотности идет от рН = 0 (крайне высокая кислотность) через рН = 7 (нейтральная среда) до рН = 14 (крайне высокая щелочность).

Чистая природная, в частности дождевая, вода в отсутствие загрязнителей тем не менее имеет слабокислую реакцию (рН = 5,6), поскольку в ней легко растворяется углекислый газ с образованием слабой угольной кислоты:

СО₂ + Н₂О Н₂СО₃.

Для определения показателя кислотности используют различные рН-метры, в частности дорогостоящие электронные приборы. Простым способом определения характера среды является применение индикаторов – химических веществ, окраска которых изменяется в зависимости от рН среды. Наиболее распространенные индикаторы – фенолфталеин, метилоранж, лакмус, а также естественные красители из красной капусты и черной смородины.

Дождевая вода, образующаяся при конденсации водяного пара, должна иметь нейтральную реакцию, т.е. рН=7. Но даже в самом чистом воздухе всегда есть диоксид углерода, и дож­девая вода, растворяя его, чуть подкисляется (рН 5,6—5,7). А воб­рав кислоты, образующиеся из диоксидов серы и азота, дождь ста­новится заметно кислым. Уменьшение рН на одну единицу озна­чает увеличение кислотности в 10 раз, на две — в 100 раз и т.д. Мировой рекорд принадлежит шотландскому городку Питлокри, где 20 апреля 1974 г. выпал дождь с рН 2,4, — это уже не вода, а что-то вроде столового уксуса.

Последствия кислотных осадков.

В 70-х гг. в реках и озерах скандинавских стран стала исчезать рыба, снег в горах окрасился в серый цвет, листва с деревьев раньше времени устлала землю. Очень скоро те же явления заметили в США, Канаде, Западной Европе. В Германии пострадало 30%, а местами 50% лесов. И все это происходит вдали от городов и промышлен­ных центров. Выяснилось, что причина всех этих бед — кислотные дожди.

Показатель рН меняется в разных водоемах, но в ненарушен­ной природной среде диапазон этих изменений строго ограничен. Природные воды и почвы обладают буферными возможностями, они способны нейтрализовать определенную часть кислоты и со­хранить среду. Однако очевидно, что буферные способности при­роды не беспредельны.

В водоемы, пострадавшие от кислотных дождей, новую жизнь могут вдохнуть небольшие количества фосфатных удобрений; они помогают планктону усваивать нитраты, что ведет к снижению кислотности воды. Использование фосфата дешевле, чем извести, кроме того, фосфат оказывает меньшее воздействие на химию воды.

Земля и растения, конечно, тоже страдают от кислотных дож­дей: снижается продуктивность почв, сокращается поступление пи­тательных веществ, меняется состав почвенных микроорганизмов.

Огромный вред наносят кислотные дожди лесам. Леса высыха­ют, развивается суховершинность на больших площадях. Кислота увеличивает подвижность в почвах алюминия, который токсичен для мелких корней, и это приводит к угнетению листвы и хвои, хрупко­сти ветвей. Особенно страдают хвойные деревья, потому что хвоя сменяется реже, чем листья, и поэтому накапливает больше вред­ных веществ за один и тот же период. Хвойные деревья желтеют, у них изреживаются кроны, повреждаются мелкие корни. Но и у ли­ственных деревьев изменяется окраска листьев, преждевременно опадает листва, гибнет часть кроны, повреждается кора. Естествен­ного возобновления хвойных и лиственных лесов не происходит.

Все больший ущерб кислотные дожди наносят сельскохозяй­ственным культурам: повреждаются покровные ткани растений, изменяется обмен веществ в клетках, растения замедляют рост и развитие, уменьшается их сопротивляемость к болезням и парази­там, падает урожайность.

Специалисты американского университета штата Северная Каролина изучили воздействие, оказываемое кислотными дождя­ми на растения в период их максимальной восприимчивости к факторам внешней среды. Под влиянием кислотных дождей не­посредственно после опыления в початках кукурузы формирова­лось меньше зерен, чем при орошении чистой водой. Причем чем больше в дождевой воде содержалось кислоты, тем меньше зерен образовывалось в початках. Вместе с тем выяснилось, что кислотные дожди, прошедшие до опыления, не оказывали заметного влияния на формирование зерен.

Проведены исследования степени восприимчивости к кислот­ным дождям 18 видов сельскохозяйственных культур и 11 видов декоративных растений на ранних стадиях роста. Наиболее подвер­женными вредоносному воздействию оказались листья томатов, сои, фасоли, табака, баклажанов, подсолнечника и хлопчатника. Наименее восприимчивыми — озимая пшеница, кукуруза, салат, люцерна и клевер.

Кислотные дожди не только убивают живую природу, но и разрушают памятники архитектуры. Прочный, твердый мрамор, смесь окислов кальция (СаО и СО₂), реагирует с раствором сер­ной кислоты и превращается в гипс (СаSО₄). Смена температур, потоки дождя и ветер разрушают этот мягкий материал. Истори­ческие памятники Греции и Рима, простояв тысячелетия, в пос­ледние годы разрушаются прямо на глазах. Такая же судьба грозит и Тадж-Махалу — шедевру индийской архитектуры периода Вели­ких Моголов, в Лондоне — Тауэру и Вестминстерскому аббатству. На соборе Св. Павла в Риме слой портлендского известняка разъеден на 2,5 см. В Голландии статуи на соборе Св. Иоанна тают, как леденцы. Черными отложениями изъеден королевский дворец на площади Дам в Амстердаме.

Более 100 тыс. ценнейших витражей, украшающих соборы в Шатре, Контербери, Кёльне, Эрфурте, Праге, Берне, в других городах Европы могут быть полностью утрачены в ближайшие 15— 20 лет.

Изучив новые данные о кислотности осадков, выпадающих в различных регионах Западной Европы, и о воздействии их на зда­ния и сооружения, сотрудники Дублинского университета (Ир­ландия) выявили, что самое катастрофическое положение сложи­лось в центре Манчестера (Великобритания), где за 20 месяцев кислотные осадки растворили более 120 г на 1 м² камня (песчани­ка, мрамора или известняка).

Город пострадал очень сильно, хотя общее количество осадков в наблюдаемый отрезок времени там было крайне низким. Очевид­но, слишком высока была степень их кислотности.

За Манчестером следует Липхун (графство Гэмпшир в Вели­кобритании) и Антверпен (Бельгия), где каждый камень под от­крытым небом потерял 100 г с 1 м². Даже такие известные загряз­ненностью атмосферы города, как Афины, Копенгаген и Амстер­дам, подверглись кислотному разрушению в значительно мень­шей степени.

Страдают от кислотных дождей и люди, вынужденные потреблять питьевую воду, загрязненную токсическими металлами — ртутью, свинцом, кадмием и т.п.

Спасать природу от закисления необходимо. Для этого придет­ся резко снизить выбросы в атмосферу окислов серы и азота, но в первую очередь сернистого газа, так как именно серная кислота и ее соли на 70—80% обусловливают кислотность дождей, выпадаю­щих на больших расстояниях от места промышленного выброса.

Наблюдения за химическим составом и кислотностью осадков в России ведут 131 станция, отбирающие на химический анализ суммарные пробы, и 108 пунктов, на которых в оперативном по­рядке измеряют только величину рН. Пробы осадков на содержание от 11 до 20 компонентов анализируются в пяти кустовых лабо­раториях.

Система контроля загрязнения снежного покрова на террито­рии России осуществляется на 625 пунктах, обследующих площадь в 15 млн. км2. Пробы забирают на наличие ионов сульфата, нитрата аммония, тяжелых металлов, определяют значение рН.

Природные осадки имеют разную кислотность, но в среднем рН=5,6. Кислотные осадки с рН < 5,6 пред­ставляют серьезную угрозу, особенно если величина рН падает ниже 5,1. Ниже перечисляются основные по­следствия выпадения кислотных осадков.

• Повреждение статуй, зданий, ме­таллов и отделки автомобилей.

• Гибель рыб, водных растений и микроорганизмов в озерах и ре­ках.

• Понижение способности к воспро­изводству лососей и форели при рН < 5,5.

• Гибель и понижение продуктив­ности многих видов фитопланкто­на, когда рН<6 — 8.

• Разрыв азотного цикла в озерах, когда величина рН колеблется от 5,4 до 5,7.

• Ослабление или гибель деревьев, особенно хвойных пород, произ­растающих на больших высотах, из-за вымывания из почвы кальция, натрия и других питатель­ных веществ (Рисунок IV).

• Повреждение корней деревьев и гибель многих видов рыб из-за высвобождения из почв и донных осадков ионов алюминия, свинца, ртути и кадмия.

• Ослабление деревьев и усиление их подверженности болезням, на­секомым, засухам, грибам и мхам, которые процветают в кис­лой среде.

• Замедление роста культурных растений, таких, как помидоры, соя, фасоль, табак, шпинат, мор­ковь, капуста-брокколи и хлопок.

• Рост популяции 81агола, простейшего, вызывающего серьезную кишечную инфекцию, которая поражает скалолазов и альпини­стов, пьющих воду из, казалось бы, чистых горных ручьев.

• Возникновение и обострение мно­гих болезней дыхательной систе­мы человека, преждевременная гибель людей.

Кислотные осадки иллюстрируют пороговый эффект. Большинство почв, озер и рек содер­жат щелочные химические вещества, которые могут взаимодействовать с некоторым количеством кислот, нейтрализуя их. Однако регулярное мно­голетнее воздействие кислот истощает большинство из этих сдерживающих закисление веществ. Затем как бы внезапно начинается массовая гибель деревьев и рыб в озерах и реках. Ког­да это происходит, какие-либо меры по предотвращению серьезного ущер­ба предпринимать уже поздно. Опоз­дание составляет 10 — 20 лет.

Кислотные осадки уже являются серьезной проблемой в Северной и Центральной Европе, на северо-восто­ке Соединенных Штатов, на юго-вос­токе Канады, в некоторых районах Китая, Бразилии и Нигерии. Все большую угрозу они начинают представ­лять в промышленных регионах Азии, Латинской Америки и Африки и в не­которых местах на западе Соединен­ных Штатов (главным образом из-за сухих осадков). Выпадают кислотные осадки и в ряде тропических районов, где промышленность практически не развита, главным образом из-за выде­ления оксидов азота при сжигании био­массы. Большая часть кислотообразу­ющих веществ, произведенных в од­ной стране, переносится преобладаю­щими приземными ветрами на террито­рию другой. Более трех четвертей кис­лотных осадков в Норвегии, Швейцарии, Австрии, Швеции, Нидерландах и Финляндии приносится в эти страны ветром из промышленных районов За­падной и Восточной Европы.

Свыше половины кислотных осад­ков в густонаселенных районах юго-восточной Канады и востока Соеди­ненных Штатов обусловлены выбро­сами крайне сконцентрированных предприятий угольной и нефтяной энергетики и промышленных пред­приятий в семи штатах Центра и вер­хнего Среднего Запада - Огайо, Ин­дианы, Пенсильвании, Иллинойса, Миссури, Западной Виргинии и Тен­несси (Рисунок V). Степень кислотно­сти осадков над большей частью Вос­тока Северной Америки составляет 4,0-4,2. Это в 30-40 раз больше, чем кислотность нормальных осад­ков, которые выпадали в этих местах несколько десятилетий назад. Штата­ми, которые выбрасывают наиболь­шее количество кислотообразующих веществ, являются Калифорния, Ин­диана, Огайо и Техас.

Около 75% кислотных осадков, выпадающих в Канаде, приносится ветрами из Соединенных Штатов, и только 15% кислотных осадков, вы­падающих в северо-восточных шта­тах, обусловлено выбросами на тер­ритории самой Канады. Такой боль­шой положительный баланс переноса кислотных осадков между Соединен­ными Штатами и Канадой привел к обострению отношений между двумя странами. Канадские ученые и чинов­ники и многие ученые США критико­вали правительство США за недоста­точно оперативные действия по уменьшению вредных выбросов про­мышленных предприятий и электро­станций по крайней мере на 50%. По оценкам Министерства окружающей среды провинции Онтарио, кислот­ные осадки угрожают 48 тыс. канад­ских озер с их индустрией спортивно­го рыболовства (1,1 млрд. долларов в год) и туризма (10 млрд. долларов в год). Канадцы также обеспокоены тем, что кислотные осадки вредят лесному хозяйству и связанным с ним отраслям, которые дают работу каж­дому десятому жителю страны и при­носят 14 млрд. долларов в год.

По оценке Национальной академии наук, ущерб от кислотных осадков в Соединенных Штатах уже составляет, по крайней мере, 6 млрд. в год и будет резко возрастать, если не предпринять немедленных действий. Стоимость со­кращения объема этих загрязнителей составит от 1,2 млрд. до 20 млрд. дол­ларов в зависимости от степени очист­ки и технологии, которая будет ис­пользована.